Comparacao de uma nova concepcao sinergica

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XXVI CONSOLDA - CONGRESSO NACIONAL DE SOLDAGEM
De 03 à 06 de Setembro de 2000 Curitiba - PR
COMPARAÇÃO DE UMA NOVA CONCEPÇÃO DE SISTEMA
SINÉRGICO COM UM SISTEMA SINÉRGICO COMERCIAL NA
SOLDAGEM MIG PULSADO DE AÇO INOXIDÁVEL
(1) Paulo S. S. Bálsamo
(2) Louriel O. Vilarinho
(3) Américo Scotti
RESUMO
O objetivo deste trabalho foi desenvolver uma nova concepção de um sistema
sinérgico não linear para soldagem de aço inoxidável através do processo MIG
pulsado e avaliá-lo frente a um sistema sinérgico comercial. Para fazer a comparação,
foi programado uma série de experimentos de soldagens com ambos os sistemas,
varrendo uma faixa de corrente média, monitorando e medindo a freqüência de
transferência e diâmetro médio das gotas e instante de ocorrência da transferência e
comprimento do arco. Os resultados mostraram que o sistema sinérgico desenvolvido
ajusta os parâmetros de soldagem de forma a obter praticamente o mesmo
comprimento de arco desejado para uma ampla faixa de corrente média, o que não
não acontece atualmente com o sistema comercial. Além disso, o diâmetro médio das
gotas foi sempre menor e o sistema mostrou-se mais robusto (em relação à variações
do modo e do instante da transferência das gotas) do que quando operando com o
sistema comercial.
Palavras-chave: MIG pulsado; Comando Sinérgico; Aço inoxidável.
ABSTRACT
The aim of this work was develop a new non-linear synergic system for welding
stainless steel using pulsed MIG process and assay it by comparison with the
commercial synergic one. For that, a series of experiments covering a range of mean
current was planned for both systems. The metal transfer frequencies, average droplet
diameters, detachment moments and arc lengths were monitored and measured. The
results showed that the developed system sets the parameters in such a way that
practically the same arc length is obtained along the whole range of current, in contrast
to the commercial system. In addition, the average droplet diameter was always
smaller and the system more robust (to variation over transfer mode and detachment
moment) than when used the commercial system.
Key Words: Pulsed MIG, Synergic Control, Stainless steel
 
(1) Engenheiro Mecânico, Dr. em soldagem, Centro de Pesquisa da ACESITA SA. Praça 1o de maio, 9
 Centro. CEP. 35180-018, Timóteo, MG, tel (031) 849-7180, fax (031) 849-7501 e-mail:
 pbalsamo@acesita.ind.br
(2) Engenheiro Mecânico, MSc. em Soldagem, doutorando no LAPROSOLDA da Universidade Federal de
 Uberlândia, 38400-902, Uberlândia, MG, tel (034) 239 4149 – ramal 54, fax (034) 239 4206,
 e-mail: vilarinho@mecanica.ufu.br
(3) Engenheiro Mecânico, PhD em Soldagem, professor/pesquisador do LAPROSOLDA da Universidade
 Federal de Uberlândia, 38400-902, Uberlândia, MG, tel (034) 239 4192 - ramal 240, fax (034) 239 4206,
 e-mail: ascotti@mecanica.ufu.br
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1. INTRODUÇÃO
A medida que os processos de soldagem tornaram-se mais sofisticados, a automação
é cada vez mais utilizada e com isto o número de variáveis controláveis também
cresce. Por exemplo, para os processos de soldagem que utilizam corrente pulsada
não basta a especificação dos valores médios de corrente e tensão, mas é preciso que
se atente para todas as componentes destas grandezas elétricas constituídas pelos
seus valores de pulso e de base e seus respectivos tempos de duração. Além disso, é
fundamental conhecer o inter-relacionamento das variáveis elétricas com outras
variáveis do processo para obter uma alta qualidade dos cordões de solda.
O ajuste correto dos parâmetros da onda para uma dada corrente média torna
possível conseguir uma transferência estável e que propicie um tamanho de gota
fundente aceitável. Estas condições devem ser atingidas para cada velocidade de
alimentação, garantindo uma operação estável em toda faixa operacional. Vários
autores (1, 2, 3, 4 e 5) têm sugerido que a condição mais adequada para se conseguir uma
transferência mais estável é a de uma gota por período de onda e que esta gota
ocorra durante o pulso da corrente. Além disso, que o diâmetro da gota seja igual ao
diâmetro do eletrodo. Esta complexidade de ajuste dos parâmetros de soldagem
demandou o desenvolvimento de equipamentos com o chamado “Controle
Sinérgico”Nota 1.
Em um sistema de comando sinérgico comercial (convencional), cujo fluxograma
representativo é apresentado na Figura 1, a variação da capacidade de fusão do
eletrodo em função da variação da velocidade de alimentação desejada é conseguida
através da alteração da corrente média pela variação da freqüência de pulsação, mas
mantendo-se a duração e a amplitude do pulso constantes; acredita-se que esta
condição preserve o princípio básico do MIG/MAG pulsado, que consiste em se obter
uma única gota por pulso e com o diâmetro igual ao diâmetro do eletrodo. Porém, este
sistema possui algumas limitações, decorrentes dos princípios de funcionamento das
suas rotinas de comando. A primeira delas é o parâmetro de comando, o qual nas
máquinas convencionais é a velocidade de alimentação, ou seja, a corrente torna-se
uma conseqüência do valor imposto para a alimentação do arame. Uma segunda
limitação é a utilização de uma relação linear entre a velocidade de alimentação (Va) e
corrente média (Im), ou seja, Va = K*Im, onde o K é função do material e diâmetro do
eletrodo, tipo e vazão do gás de proteção, etc. A forma de onda do sinal de corrente é
assumida como perfeitamente retangular, outra simplificação dos algoritmos de
comando.
O fato de utilizar velocidade de alimentação ao invés da corrente média como
parâmetro de comando, dificulta o operador ajustar o equipamento para a energia de
soldagem desejada. E o uso de equação linear com formato de onda não real pode
agregar alguns erros nas condições otimizadas, principalmente em altas correntes
médias (6).
Em decorrência das limitações apresentadas, este trabalho propõe o desenvolvimento
de uma nova concepção de um sistema sinérgico, utilizando uma relação não linear
entre a velocidade de alimentação do arame e a corrente média onde, o cálculo da
corrente média é baseado em um formato de onda trapezoidal. Neste novo sistema, o
ajuste dos parâmetros se faz pelo valor da corrente média desejada, mantendo-se
uma condição otimizada de destacamento de gotas em qualquer faixa de corrente. A
 
Nota 1 Na verdade, apesar do termo Controle ser usado universalmente, a expressão Controle Sinérgico não se aplica
neste tipo de equipamento, e sim comando sinérgico.
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escolha por um modelo não linear com um formato de onda trapezoidal baseou-se em
estudos anteriores (6).
1.1. Comando Sinérgico Proposto (Algo_Ñlinear)Nota 2
Neste algoritmo, utiliza-se uma relação não linear entre a velocidade de alimentação e
a corrente média além da forma de onda da corrente pulsada ser baseada no formato
trapezoidal (Figura 2). As Equações 1 e 2 representam, respectivamente, a corrente
média e a velocidade de alimentação para este algoritmo (o detalhamento e avaliação
deste algoritmo foi apresentado em outra publicação (7)),
)tt(
)tt.(I
2
)II.(t
)II.(t
2
)II.(t
I
bp
bpb
bp3
bp2
bp1
m +
++
−
+−+
−
= (1);












+
−
−
+
−
++=
dt
dI
).tt.(3
)II(
)tt(
t.t.)II(
I..IV
bp
3
bp
2
bp
bp
2
bp2
mema !βα (2).
onde: Ip é a corrente de pulso, Ib é a corrente de base, tp é o tempo de pulso, tb é o
tempo de base, t1, t2 e t3 são constantes de tempo para definir o formato da onda
trapezoidal (Figura 2), dI/dt é a taxa de variação da corrente no tempo
(subida = descida), le é o comprimento de eletrodo, α e β são constantes de
proporcionalidade que dependem das condiçõesde soldagem.
A Figura 3 mostra o fluxograma simplificado deste algoritmo não linear (Algo_Ñlinear).
Inicialmente deve-se definir os parâmetros de entrada: corrente e tempo de pulso (Ip e
tp) que produz a condição de uma gota por pulso (UGPP), corrente média (Im),
constantes paramétricas α, β e k (dependentes do material, diâmetro de eletrodo e gás
de proteção), diâmetro do eletrodo (de), comprimento de arco desejado (la), condições
de contorno (Ibmin, Ibmax, tbmin e tbmax) e as constantes de tempo para definir o formato da
onda trapezoidal (t1, t2 e t3). A partir destes parâmetros de entrada, o algoritmo calcula
inicialmente os parâmetros de base (Ib e tb), velocidade de alimentação (Va) e diâmetro
de gota (dg) usando o modelo linear e, se Ib e tb calculados não pertencerem as
condições de contorno estabelecidas, o algoritmo efetua a correção destes parâmetros
e de Va através de um incremento (no caso de Ib < Ibmin ou tb < tbmin) ou decremento (no
caso de Ib > Ibmax ou tb > tbmax) do diâmetro de gota.
Com os resultados de Va, Ib, tb e dg calculados através do modelo linear, passa-se a
calcular (refinar) estes parâmetros através do modelo não linear, com o formato de
onda trapezoidal. O valor de Va linear é utilizado como uma primeira aproximação para
o calculo de Va, Ib, tb e dg no modelo não linear, através de um processo recursivo.
Existe a possibilidade da convergência só se dar para dg ≠ de (negando uma das
premissas do processo MIG pulsado), mas o algoritmo tenta aproximar ao máximo do
valor de dg desejado. Desta forma, o algoritmo efetua uma correção nos parâmetros
Va, Ib e tb calculados através de uma maximização e/ou uma minimização do diâmetro
de gota, chegando ao final da rotina com o valor de Va para produzir o comprimento de
arco desejado em função da corrente média de entrada e os menores valores
possíveis de dg, Ib e tb.
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2. METODOLOGIA E PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Para comparar o sistema sinérgico proposto com um sistema comercial, foi
programada uma série de experimentos cobrindo uma faixa de corrente média típica
para um eletrodo de aço inoxidável da classe AWS ER 308LSi e 1,2 mm de diâmetro.
Os parâmetros elétricos foram monitorados e a transferência metálica foi filmada
usando um sistema moderno de visualização de arco, denominada de Shadowgrafia
Sincronizada (8); esta técnica permite a aquisição dos sinais elétricos de soldagem
(corrente e tensão) em sincronismo com as imagens de transferência metálica. A
comparação do desempenho de ambos sistemas sinérgicos foi feita baseada nas
diferenças de freqüência de transferência das gotas, diâmetro médio das gotas,
instante de ocorrência das transferências e comprimento dos arcos. Para garantir uma
melhor comparação, os valores intrínsecos dos algoritmos de cálculo de cada sistema
foram feitos iguais; isto é, mesmo par IP e tp e as mesmas constantes paramétricas α,
β e k. Estes valores foram obtidos nas mesmas condições experimentais (7) e estão
apresentados na Tabela 1. Assim, de acordo com a Tabela 1, um sistema sinérgico
comercial pode trabalhar usando como parâmetros no algoritmo de comando apenas
os valores de Ip, tp, k ao assumir um valor específico para a distância do bico de
contato-peça (DBCP) e de comprimento de arco (la). Estes valores foram passados ao
fabricante para que fossem gravados na EPROM do microprocessador do
equipamento. Já o sistema proposto requer os valores de Ip, tp, k, α e β e assume,
também, um valor específico para DBCP e para o la, no caso iguais para ambos
sistemas. Estes valores foram colocados como constantes num programa
desenvolvido em linguagem C, com o qual o equipamento podia ser comandado
através de uma interface fonte-microcomputador.
A partir daí, selecionou-se 5 valores de corrente média (80 A, 110 A, 130 A, 140A e
170 A) e os sistemas sinérgicos ajustaram os respectivos valores de velocidade de
soldagem e parâmetros de pulso. As soldagens, em simples deposição sobre chapas
de aço inoxidável (AISI 304L), com dimensões de 270x50x3,5 mm, foram feitas
utilizando uma bancada experimental esquematicamente apresentada na Figura 4.
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
A Tabela 2 mostra os resultados obtidos após as soldagens: parâmetros de pulso (Ib,
tb, Ip e tp), corrente média (Im) e o valor do Ajuste Fino. O Ajuste Fino consiste em uma
versatilidade do sistema sinérgico comercial utilizado para obter o comprimento de
arco (la) desejado pelo operador. Ou seja, quando o algoritmo não produz um valor de
la desejado, o operador varia la através da variação da velocidade de alimentação do
arame sem que os parâmetros de pulso mudem e, consequentemente, sem mudança
na corrente média. Este recurso foi utilizado pois, em pré-testes para a faixa de
corrente média, a solda obtida pelo sistema sinérgico comercial produzia um
comprimento de arco muito grande (la > 10 mm). Fica claro que quanto maior o valor
de Im, maior a variação requerida na escala do Ajuste Fino (Tabela 2). Os resultados
referentes ao tratamento das imagens das transferências metálicas obtidas (la, dg e
Fg), bem como a corrente média e a freqüência de pulsação (Fp) estão apresentados
na Tabela 3.
Diante dos resultados apresentados para os dois sistemas nas Tabelas 2 e 3, para as
mesmas condições iniciais de soldagem, pode-se afirmar que o sistema sinérgico
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desenvolvido mostrou alguns avanços importantes em relação ao sistema sinérgico
comercial, a saber:
i. Em relação ao comprimento de arco (la) obtido para os dois sistemas, verificou-se
que no sistema proposto (Algo_Ñlinear) la permaneceu praticamente constante em
torno do valor médio estabelecido de 5 mm, para toda a faixa de corrente média
estudada. Já para o sistema comercial, o comprimento de arco obtido foi muito alto
sempre acima de 10 mm, fazendo com que o operador utilizasse do recurso de
Ajuste Fino, para chegar a valores mais próximos do valor estabelecido de 5 mm,
sendo inclusive mais necessário este recurso quanto maior fosse o valor de
corrente média imposto. Na Tabela 3 estão mostrados os valores de la, após a
utilização do Ajuste Fino. Esse fato mostra que a utilização de um modelo não
linear entre velocidade de alimentação do arame e corrente média (sinérgico
desenvolvido) é mais adequado do que o modelo linear proposto para o sinérgico
comercial. Ou seja, o sistema desenvolvido é mais eficiente do que o proposto,
pois não depende de interferências do operador para alcançar o comprimento
desejado.;
ii. Os diâmetros médios das gotas (dg) obtidas foram sempre maiores no caso do
sistema comercial para um mesmo valor de corrente média (Im). Aparentemente,
este fato está ligado ao modo de variação dos parâmetros de base para produzir a
corrente média desejada. No caso do sistema comercial, preferencialmente varia-
se a corrente de base e no sistema proposto procura-se trabalhar com os menores
valores possíveis de corrente de base através de uma variação combinada da
corrente de base e tempo de base, objetivando uma minimização do diâmetro
médio das gotas;
iii. Em relação ao modo de transferência metálica, o sistema desenvolvido mostrou
ser mais robusto do que o comercial. Esta robustez, esta ligada ao fato de que em
toda a faixa de corrente média estudada (80 A à 170 A) o sistema proposto
manteve a premissa do processo MIG pulsado de uma gota por pulso (UGPP), já o
comercial apresentou irregularidades no modo de transferência, principalmente
para valores de corrente média mais baixas (verificar a diferença entre Fp e Fg
apresentada na Tabela 3). Outro fato importante diz respeito ao aparecimento de
gotas secundárias para valores de corrente média acima de 105 A. Estas gotas
secundárias apresentaram um diâmetro médio de aproximadamente 60% a 70%
do diâmetro da gota principal, mostrando uma tendência do modo de transferênciametálica deixar de ser de “uma gota por pulso” e caminhar para o modo de “mais
de uma gota por pulso”.
4. CONCLUSÕES
Pelos resultados obtidos com o eletrodo ER 308 LSi com 1,2 mm de diâmetro e gás de
proteção Ar + 2%O2 mostra-se que sistema sinérgico proposto é:
! Capaz de obter com grande precisão o comprimento de arco desejado em uma
ampla faixa de corrente média, ao contrário do sistema comercial onde há a
necessidade de se utilizar o recurso de Ajuste Fino;
! Capaz de obter gotas de diâmetro médio menores e mais próximas do diâmetro do
arame do que o obtido pelo sistema comercial;
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! Mais robusto em relação à variação do modo e instante da transferência das gotas
do que o comercial.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores deste trabalho gostariam de agradecer o suporte financeiro do CNPq e
CAPES, sem os quais não seria possível realizá-lo e, também, reconhecer o apoio
material do Laprosolda/UFU, da Acesita SA e da White Martins SA.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1 ALLUM, C.J. (1985). Recent Developments in Pulsed Gas Metal Arc Welding,
 Welding for Challenging Environments, outubro de 1985, pp 1 - 10.
2 ALLUM, C.J. & QUINTINO, L (1984). Control of Fusion Characteristics in Pulsed
 Currente GMAW Part I – Fusion Characteristics. Doc. IIW 212-582-84, 1984. 49p.
3 ELLIOT, S (1985). Using synergic MIG successfully, Metal Construction, March,
 1985. pp.148-151.
4 NORRISH, J (1992). Gas metal arc welding. In: Advanced Welding Processes. IOP
 Publishing, Bristol, Philadelphia and New York, 1992. Pp. 131-173.
5 SUBRAMANIAM, S. (1996). Process Modeling and Analysis for Pulsed Gas Metal
 Arc Welding of an Aluminum Automotive Spaceframe, Tese de Doutorado, West
 Virginia University, 1996, 227p.
6 BALSAMO, P.S.S.; VILARINHO, L. O. & SCOTTI, A (1999). Proposta de Uma Nova
 Concepção Sinérgica para Soldagem MIG pulsado de Aço Inoxidável, VI
 Seminário Brasileiro do Aço Inoxidável, São Paulo SP, Maio, 1999.
7 BALSAMO, P.S.S. (2000). Desenvolvimento de um Sistema Sinérgico Não Linear
 para Soldagem MIG Pulsado de Aço Inoxidável, Tese de Doutorado,
 Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, MG, Fev./2000. 208p.
8 BALSAMO, P.S.S. et al. (2000). Development of an Experimental Technique for
 Studying Metal Transfer In Welding: Synchronized Shadowgraphy, artigo
 submetido ao The International Journal for Joining of Materials, Denmark.
Cálculo de Im
am V*kI =
Saída
" Ip, tp, Ib e tb
" Im
" UGPP
" dg
" !a desejado
Cálculo de tb
pb tTt −=
Cálculo de Ib
b
ppbpm
b
t
t.I)tt.(I
I
−+
=
Entrada
" Ip e tp
" Va
" K, dg e de
Cálculo de T
a
2
e
3
g
V.d.5,1
d
T =
Figura 1 – Fluxograma representativo da lógica de um algoritmo comercial.
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Figura 2 - Representação de um oscilograma da corrente, com formato de onda
trapezoidal.
ENTRADA
Ip, tp, Im
Ibmínimo depende do material
Ibmáximo = 90% de Im; tbmínimo= tp; tbmáximo = 30 ms
le, α, β, de, dg; t1, t2, t3 (Modelo Trapezoidal)
CALCULAR (LINEAR)
Va, T, Ib, tb, dg
CALCULAR (TRAPEZOIDAL)
Va, T, Ib, tb, dg
CÁLCULO CORRETIVO DE dg.
MAXIMIZAÇÃO OU MINIMIZAÇÃO
IMPRIMIR (Trapézio)
Va, T, Ib, tb, dg
Figura 3 – Fluxograma representativo da lógica do algoritmo proposto Algo_ÑLinear.
8
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Sinal da câmera
Placa AD 1
Sinal de tensão
Sinal de corrente
Placa AD 2
Câmera de
Tocha
Sensor de
alta velocidade
corrente
Circuito
Eletrônico
de tensão
Divisor
Micro 1 Micro 2
Sistema 1 Sistema 2
Cabo da tocha
Fonte de
Alimentador de arame
soldagem
Monitor de vídeo
Sistema laser-
óptico
Figura 4 – Representação esquemática da bancada experimental.
Tabela 1 – Condições iniciais para os sistemas sinérgicos comercial e proposto.
Parâmetros Sistema Comercial Sistema Proposto
Equipamento de soldagem*
Fonte eletrônica chaveada
no secundário, com
controle microprocessado
(sinergismo embutido)
Fonte eletrônica chaveada
no secundário, com
controle analógico
(sinergismo através de
interface fonte-computador
Material do eletrodo AWS ER 308Lsi AWS ER 308Lsi
Diâmetro do eletrodo 1,2 mm 1,2 mm
Gás de proteção Ar + 2%O2 Ar + 2%O2
Parâmetros de pulso** Ip = 285 A e tp = 5,7 ms Ip = 285 A e tp = 5,7 ms
Comprimento de arco
desejado 5 mm 5 mm
Distância Bico de Contato-
Peça 20 mm 20 mm
Constante k 0,0206 m/A.min 0,0206 m/A.min
Constante α --- 0,35 mm.A-1.s-1
Constante β --- 7,8 x 10-5 A-2.s-1
* As fontes de soldagem são do mesmo fabricante. Desta forma, além das diferenças ligadas ao desempenho de cada
sistema, pouca influência é esperada na dinâmica da fonte.
** Parâmetros de pulso que produz a condição de uma gota por pulso.
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Tabela 2 – Valores de ajuste e monitorados para as soldagens com os dois sistemas
sinérgicos.
Sistemas Teste Ip
(A)
tp
(ms)
Ib
(A)
tb
(ms)
Im
(A)
Ajuste
Fino *
01 24 21,1 80 ---
02 24 11,6 111 ---
03 24 8,9 127 ---
04 24 7,2 139 ---
Proposto
05
285 5,7
52 6,0 166 ---
06 40 32,4 77 -9
07 58 22,1 105 -9
08 71 18,5 121 -11
09 80 16,3 133 -12
Comercial
10
285 5,7
103 12,8 159 -14
* Estes ajustes finos se fizeram necessários no caso do Sinérgico Comercial para que o comprimento de arco se
aproximasse do desejado (la = 5 mm).
Tabela 3 – Resultados da análise das imagens das transferências metálicas em
sincronismo com os oscilogramas de corrente e tensão de soldagem.
Sistemas Teste Fg
(Hz)
Fp
(Hz)
DIF(F) *
(%)
la
(mm)
dg
(mm)
01 38,09 37,09 2,63 5,103±0,225 1,476±0,052
02 58,62 57,21 2,41 5,121±0,236 1,348±0,058
03 69,64 67,93 2,46 5,035±0,252 1,313±0,054
04 78,96 76,69 2,87 5,030±0,126 1,305±0,038
Proposto
05 86,39 84,32 2,40 4,874±0,212 1,401±0,064
06 28,18 26,17 7,11 4,616±0,212 1,713±0,074
07 40,00 35,89 10,28 6,598±0,255 1,392±0,057
08 39,57 41,23 4,19 5,696±0,227 1,365±0,059
09 42,02 45,36 7,96 6,508±0,324 1,584±0,052
Comercial
10 52,57 53,96 2,65 6,513±0,297 1,489±0,061
* DIF(F) corresponde a diferença relativa entre as freqüências Fp e Fg.
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